基于DSP的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

1、 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 基于DSP的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 控制工程 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 2015年 8 月基于DSP的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)摘要：以TMS320F28335浮點(diǎn)型處理器為控制器，采用IR2136作為驅(qū)動(dòng)芯片，詳細(xì)設(shè)計(jì)了三相無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，其中包括電源模塊、信號(hào)隔離模塊、三相全橋驅(qū)動(dòng)電路及過流、過壓保護(hù)電路等，并對電路中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析和選擇。Design of driver circuit for BLDCM based on DSPAbstract: A three-

2、phase full bridge driver for BLDCM based on the DSP was introduced ,using the IR2136 chip,including the signal isolation module,power supplying circuits,three-phase inverting circuits and current sampling and protecting module.The key parameters of the driver was calculated and selected.關(guān)鍵詞：三相無刷直流電機(jī)

3、；驅(qū)動(dòng)電路；IR2136；DSPKey words: three-phase BLDCM; driver circuit;IR2136;DSP隨著電力電子技術(shù)和高性能永磁材料的發(fā)展，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療、家電及自動(dòng)化領(lǐng)域獲得了迅猛的發(fā)展。無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是數(shù)字控制電路和無刷直流電機(jī)聯(lián)系的紐帶，它采用功率電子開關(guān)和霍爾位置傳感器代替有刷電機(jī)中的電刷和換相器，接收來自數(shù)字電路的控制信號(hào)，將電流分配給無刷電機(jī)定子上的U、V、W三相繞組1。本設(shè)計(jì)將TMS320F28335作為控制器，具有較高的信號(hào)處理和控制功能，并且TMS320F28335具有浮點(diǎn)運(yùn)算功能，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的智能控制算法，其

4、存儲(chǔ)容量大且支持存儲(chǔ)器擴(kuò)展，同時(shí)還具有豐富的外設(shè)資源。同時(shí)采用IR公司的三相無刷直流電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)功率芯片IR2136，利用MOSFET作為功率開關(guān)，設(shè)計(jì)三相全控橋式電路。DSP接收霍爾位置傳感器的信息，以此為換相依據(jù)，經(jīng)過處理后輸出6路PWM波，按一定的順序控制6個(gè)MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。本文詳細(xì)介紹了三相無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，對電路中的關(guān)鍵元件進(jìn)行分析和選型，并且簡要介紹了軟件設(shè)計(jì)。1 驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)1.1總體方案設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路原理框圖如圖1所示，主要包括信號(hào)調(diào)理與隔離部分、驅(qū)動(dòng)部分、三相全橋逆變部分和電壓、電流檢測部分。圖1 三相無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)電路框圖1.2電源模塊本設(shè)計(jì)使

5、用的三相無刷直流電機(jī)的型號(hào)是57BL-52-230，額定電壓為24 V，額定功率為60 W。而IR2136的工作電壓為15 V，信號(hào)隔離采用光耦元件，其工作電壓為5 V，DSP控制板已集成3.3 V與1.9V穩(wěn)壓模塊，故只需5 V供電即可。采用MC34063作為降壓芯片，如圖2所示。系統(tǒng)的電源輸人為24 V，可以直接提供給電機(jī)，而通過一個(gè)MC34063結(jié)合相應(yīng)的外部匹配電路，即可將電壓降到15 V，提供IR2136使用。使用另一塊MC34063，修改匹配電路之后即可將15 V電壓降為5 V以供控制電路使用。圖2(a) 15V轉(zhuǎn)+5V電路圖2(b) 24V轉(zhuǎn)15V電路1.3信號(hào)隔離模塊電機(jī)的控制

6、信號(hào)由DSP產(chǎn)生，頻率較高，同時(shí)DSP的工作電壓為3.3 V，工作電流也比較低，屬于弱電信號(hào)，而IR2136所處的電路為強(qiáng)電部分，直接連接會(huì)使得主回路的強(qiáng)電信號(hào)干擾控制回路中弱電信號(hào)，同時(shí)為了提高整個(gè)控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，因此需要采用光耦元件將控制回路與主回路隔離開來。本設(shè)計(jì)中采用的高速光耦6N137，信號(hào)隔離電路如圖3所示。光耦的使用保證了控制信號(hào)的單向傳遞，而且高速光耦6N137的傳輸速度為10 Mbit/S，而PWM波的頻率為20 KHz，因此完全能夠傳輸PWM.同時(shí)6N137內(nèi)部就有邏輯增益輸出的能力，而且其工作電壓為5 V，使得輸出的PWM的信號(hào)抬高到5 V，也增加了負(fù)載能力和抗

7、干擾能力，完全符合IR2136的輸人端要求。圖3 信號(hào)隔離電路1.4 IR2136驅(qū)動(dòng)模塊IR公司推出IR2136三相逆變器驅(qū)動(dòng)器集成電路系列，適用于變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì).新器件集成了6個(gè)MOSFET或IGBT高電壓柵驅(qū)動(dòng)器，并融合多元化的保護(hù)功能。這些集成電路還有助于簡化電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，可將驅(qū)動(dòng)電路的尺寸縮減一半。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，自舉電容必須能夠提供功率管導(dǎo)通時(shí)所需要的柵極電荷、自舉電容的最小設(shè)計(jì)要求最小電荷要求為2：其中為功率管完全導(dǎo)通時(shí)所需要的柵極電荷，為懸浮電源絕對電壓，自舉二極管的正向壓降，為低壓側(cè)功率管的壓降。這里取234 nC ，=15 V ，=1.3 V ，=0.7 V，C=1.0

8、8 uF，結(jié)合實(shí)際選擇C=1 uF。 自舉二極管用于開關(guān)二極管的充放電過程。當(dāng)高端IRFP260N管開啟時(shí)，自舉二極管必須承受著和IRFP260N漏極相同的電壓，所以二極管的反向承受電壓要大于母線電壓，充放電恢復(fù)時(shí)間極短，應(yīng)選用快恢復(fù)二極管以減少自舉電容向電源的回饋電荷。這里選用快恢復(fù)二極管FR 107作為自舉二極管。FR 107的反向恢復(fù)時(shí)間小于500 ns，反向工作峰值電壓1 000V，正向峰值壓降小于1.3 V，常溫反向電流小于5 uA，高溫反向峰值電流小于100 uA。采用IR2136驅(qū)動(dòng)三相逆變橋的六個(gè)功率MOSFET的電路原理圖如圖5所示。IR2136內(nèi)置了400 ns的死區(qū)時(shí)間，

9、防止同一橋臂的上下兩個(gè)MOSFET管同時(shí)導(dǎo)通。圖4 IR2136驅(qū)動(dòng)電路1.5三相全橋逆變模塊逆變電路的作用是將直流電轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動(dòng)三相無刷直流電機(jī)的三相交流電U，V和W。需在柵極串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)大小的電阻，其原因?yàn)椋旱谝?，柵極回路存在寄生電感，與柵源之間的寄生電容會(huì)在脈沖的激勵(lì)下產(chǎn)生很強(qiáng)的振蕩，串聯(lián)一個(gè)電阻能使振蕩迅速衰減。第二，電容與電感都是無功器件，如果沒有柵極電阻，MOS管的溫度會(huì)上升很多。第三，柵極電阻可以調(diào)節(jié)開關(guān)器件的通斷速度，使得開關(guān)器件減少損耗的同時(shí)又能較好的抑制干擾3。本設(shè)計(jì)中采用的MOSFET是IRF3205，額定電流為110 A。選擇柵極電阻為10 。三相全控橋式電路如圖5所

10、示5。圖5 三相全控橋式電路1.6電壓、流采樣與保護(hù)過流保護(hù)是為了使工作過程中電機(jī)出現(xiàn)過流時(shí)，關(guān)閉三相全橋逆變電路的MOS管，保護(hù)電機(jī)不至于燒壞4。圖4中的R501將母線電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由于母線電流并不是很大，采樣電阻也較小，所以COM端的電壓信號(hào)較小，經(jīng)過濾波、放大和隔離電路后將電壓信號(hào)送到DSP的AD采樣口。將采集到的電壓信號(hào)與程序設(shè)定的值比較，當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)即當(dāng)作過流，然后是6路PWM口均輸出低電平，使得MOS管全部關(guān)斷，電機(jī)停止工作，從而保護(hù)電機(jī)，電流采樣電路見圖6(a)。為了防止直流母線電壓欠壓，需采樣母線電壓，本設(shè)計(jì)使用HCPL7800光耦隔離差分放大電壓采樣信號(hào)，使用MC

11、P6022進(jìn)行信號(hào)的二次放大，將信號(hào)送到DSP的AD采樣口，見圖6(b)。圖6(a) 電流采樣電路圖6(b) 母線電壓采樣電路1.7位置電路本設(shè)計(jì)采用的是帶位置傳感器的三相無刷直流電機(jī)，通過霍爾位置傳感器讀取相位信號(hào)，進(jìn)行電子換相4。由于傳感器的輸出信號(hào)常常帶有一些干擾信號(hào)，所以在送人DSP的捕獲單元時(shí)需要將其進(jìn)行整形，在這里選用的是施密特觸發(fā)反相器74LS14，而74LS14的工作電壓為5 V，DSP的IO口電壓為3.3 V，此處采用了最簡單的電阻分壓的方法，經(jīng)電阻分壓之后再將信號(hào)送人DSP的捕獲單元。如圖7所示。圖7 霍爾信號(hào)采集電路圖8 霍爾信號(hào)處理電路2軟件設(shè)計(jì)基于TMS320F283

12、35的三相無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件基本流程圖如圖9所示，實(shí)際應(yīng)用中還需加上其他模塊6。圖9(a)為主程序流程圖，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、I/0端口、看門狗、系統(tǒng)中斷等初始化以及變量初始化等。圖9 (b)、（c）為中斷子程序流程圖，電機(jī)啟動(dòng)后，每當(dāng)霍爾傳感器讀取的信號(hào)發(fā)生改變時(shí)都會(huì)進(jìn)人捕捉中斷，調(diào)整PWM控制信號(hào)，從而確定MOSFET的導(dǎo)通順序。在定時(shí)中斷服務(wù)程序計(jì)算速度和速度PID控制，計(jì)算出對應(yīng)的占空比。速度控制采用PID算法，其具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等特點(diǎn)，在實(shí)際工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。 圖9 (a)主程序流程 圖9 (b)捕捉中斷子程序流程 圖9 (C)定時(shí)中斷子程序流程 3結(jié)論本

13、文設(shè)計(jì)完成了一個(gè)基于IR2136的無刷直流電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路。該電路集成了輸入欠壓、防直通、過流等保護(hù)功能。另外，利用IR2136片內(nèi)自舉功能，實(shí)現(xiàn)了全橋驅(qū)動(dòng)電路的單一電源供電，并根據(jù)計(jì)算分析對電路的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行選擇。參考文獻(xiàn):1 曾建安,曾岳南.MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器IR2136及其在電機(jī)控制中的作用J.電機(jī)技術(shù),2005 (1):13-15.2 International Rectifier.應(yīng)用指南AN-978高壓懸浮門驅(qū)動(dòng)IC. International Rectifier, 2007.2 黃玉平.大功率機(jī)電伺服系統(tǒng)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究J.微計(jì)算機(jī)信息,2010(2):184-185.3